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中南工业大学硕士学位论文烧结过程透气性的多级模枷综合评判和操作指导系统的研究 摘要 本文综合应用烧结理论、模糊理论和人工智能理论，建立了烧结 过程透气性多级模糊综合评判和操作指导系统。 ( 应用模糊数学的方法，采用原料参数、操作参数和状态参数对烧 结过程透气性进行综合评判，既实现了过程透气性的准确判断，又预 测了过程透气性的变化趋势，具有创新性；应用专家经验，根据评判 结果，分析透气性变差的原因，并给出操作指导，具有实用性。 通过比较分析，采用“加权平均型”算子作为模糊评判的算子； 采用定性与定量相结合的层次分析法确定权系数，避免了使用专家法 客观性差、难于对多因素赋权、通用性差等困难。 使用可移植性好、易于维护和修改、运行速度快的c c + + 语言， 采用原形一生命周期法开发了应用软件。用实际生产数据进行测试， 结果表明：该软件评判结果与现场专家评判结果具有较好的一致性， 可用于现场的过程透气性的离线判断和操作指导。 中南工业大学硕士学位论文 烧结过程透气性的多级模糊综合评判和操作指导系统的研究 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，t h em u l t i l e v e lf u z z ys y n t h e t i ce v a l u a t i o na n do p e r a t i o n g u i d es y s t e mo fs i m e r i n gp r o c e s sp e r m e a b i l i t yi sb u i l tu pb yc o m p r e h e n s i v e u t i l i z a t i o no fs i n t e r i n gt h e o r y 、f u z z yt h e o r ya n da r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e t h e o r y t h e f u z z y m a t h e m a t i c a lm e t h o d sa r e a p p l i e d t oe v a l u a t et h e p e r m e a b i l i t yo fs i n t e r i n gp r o c e s so nt h eb a s i so fm a t e r i a lp a r a m e t e r s 、 o p e r a t i o np a r a m e t e r sa n ds t a t ep a r a m e t e r s ，s ot h ea c c u r a t ej u d g e m e n ta n d t h ep r e d i c t i o no fc h a n g i n gt e n d e n c yo fs i n t e r i n gp r o c e s sp e r m e a b i l i t ya r e f u l f i l l e d ，w h i c hp r e s e n t sc r e a t i v i t y e x p e r t s 、e x p e r i e n c ei sa p p l i e dt oa n a l y z e t h er e a s o nt om a k ep e r m e a b i l i t yw o r s ea n dp r o v i d eo p e r a t i o ng u i d a n c e ， w h i c hs h o w sg o o dp r a c t i c a l i t y b yc o m p a r e dw i t ho t h e rf u z z yo p e r a t o r s ，t h ew e i g h t e dm e a no p e r a t o ri s u s e da st h eo p e r a t o ri nf u z z ye v a l u a t i o n t h ew e i g h t sa r ed e t e r m i n e db y a n a l y t i c a lh i e r a r c h yp r o c e s s ( a h p ) w h i c hc o m b i n e sq u a l i t a t i v e w i t h q u a n t i t a t i v ea n a l y s i s ，a n d s ot h es h o r t c o m i n g so fe x p e r t se v a l u a t i o n a p p r o a c hs u c h a sb a do b j e c t i v i t y 、d i f f i c u l t yi nd i s t r i b u t i n gw e i g h tt o d i f f e r e n tf a c t o r sa n db a dg e n e r a l i t ya r eo v e r c o m e t h ea p p l i c m i o ns o f t w a r ef o l l o w i n gp r o t o t y p e - l i f ec y c l ea p p r o a c hi s d e v e l o p e d i nc c + + ，w h i c hh a ss u c h c h a r a c t e r i s t i c sa s g o o d t r a n s p l a n t a b i l i t y 、e a s ym a i n t a i n a b i l i t ya n df a s tr u n n i n gs p e e d ，t h et e s tr e s u l t w i t ha c t u a lp r o d u c t i o nd a t as h o w st h a tt h ec o n c l u s i o n sf r o mt h es o f t w a r ea r e c o m p a t i b l et ot h o s ef r o mt h ee x p e r t so nt h es p o ta n dt h es o f t w a r ec a nb e u s e dt oe v a l u a t et h ep e r m e a b i l i t yo fs i n t e r i n gp r o c e s sa n do f f e rt h eo p e r a t i o n g u i d a n c e i i 中南工业大学硕士学位论文集 烧结过程透气性的多级模糊综合评判和操作指导系统的研究 日u百 计算机控制技术是计算机技术与自动化技术相结合的产物。烧结 过程计算机控制的目的就是为了提高劳动生产率，实现优质高产和降 低能源消耗。随着烧结设备的大型化和高炉对烧结矿质量要求的提高， 烧结过程计算机控制技术的成效目益显著，正因为如此提高烧结过程 计算机控制水平已成为烧结技术发展的主要方向之一。 烧结过程状态主要是指热状态和透气性状态。烧结过程透气性是 指固体料层允许气体通过的难易程度。气体在烧结料层内的波动状况 及变化规律，关系到烧结过程的传质、传热和物理化学反应的过程， 烧结生产状况的波动，主要是由于透气性的波动引起的。因此，控制 烧结过程的料层透气性就能保证烧结过程顺利进行，从而保证烧结矿 的产、质量。 数学模型是自动控制的灵魂，是被控过程的运动规律的定量化。 建立真实描述过程，适合于过程控制的数学模型很不容易。迄今为止 国内的烧结数学模型多是机理型、静态型模型，模型大部分不能很好 的反映和应用于实际过程，它们有着如下缺陷： ( 1 ) 建模时对所研究的对象必须提出合理的简化假设，而这些假 设往往不一定能符合实际情况，并且烧结过程机理也并非完全清楚。 ( 2 ) 过程受复杂的随机因素的干扰，难以准确描述，模型参数不 可能稳定。 ( 3 ) 模型求解时间过长，计算量大，不能满足过程的实时性要求， 结果是控制理论普遍应用于模型而不是实际过程。 烧结过程透气性由于影响因素多、机理复杂以及大滞后性，要建 立烧结过程的数学模型也是非常困难的。 显然，以经典数学的精确方法来对待烧结过程这样模糊的、非定 量化的系统是不行的，必须在这一领域中的工作中进行一种新的探索。 模糊数学为这种新的探索提供了一条新的可行的途径。 自1 9 6 5 年模糊数学问世以来，发展得异常迅速。1 9 7 4 年 e h m a n d a n i 首先利用模糊控制语句组成模糊控制器，并在实验室 中获得成功。随后，人们对不同的复杂控制对象，如炼钢炉、水泥 窑、热电厂等进行了模糊控制的实验研究。1 9 8 6 年8 月在日本钢管钢 中南工业大学硕士学位论文集 烧结过程透气性的多级模糊综合评判和操作指导系统的研究 铁公司福山烧结厂将模糊理论应用于返矿槽料位的在线控制，这是模 糊控制在烧结领域实际操作中的首次应用 2 。1 9 9 0 年1 月，返矿率模 糊控制系统在日本神户烧结厂得以应用，上述两个模糊控制系统的应 用都取得了较好的效果”1 。 实践表明模糊数学应用于过程控制有以下特点： ( 1 ) 它不用知道对象的数学模型； ( 2 ) 它能实现对非线性系统的控制： ( 3 ) 模糊控制对参数的变化有较强的适应性。 综上所述，在目前依靠经典数学还暂时无法解决烧结过程透气性 的判断和控制的情况下，使用模糊数学方法开发烧结过程透气性的综 合评判和操作指导系统是很重要的。 本文就是利用模糊数学的优点，对烧结过程判断、预测和控制做 出一些探索。 2 中南工业大学硕士学位论文烧结过程透气性的多级模糊综合评判和操作指导系统的研究 1 文献综述 1 1 烧结数学模型的研究现状与发展 近3 0 年来，由于过程分析和计算机技术的迅速发展，大量以计算 机为基础的先进技术在烧结球团工艺上得到了广泛的应用，使传统的 烧结球团过程控制发生了重大的变革。 国外对烧结数学模型的研究始于六十年代，我国在这一领域里的 研究工作起步较晚，始于八十年代，但烧结数学模型的发展很快，形 势喜人。尽管烧结过程模型化仍有一些缺陷，但这方面的努力己增进 j ，我们对烧结过程及工艺的了解。 从建模方法和模型功能的角度，数学模型可分为三类： ( 1 ) 机理模型：从化学和物理的基本定律和过程结构的数据推导出 的数学模型。 ( 2 ) 数理统计模型：是从生产数据或实验数据的分析估计决定模型 结构，并以实验数据决定模型中的系数，从而形成反映研究对象的模 型。 ( 3 ) 时间序列模型：这类模型是描述实际系统各物理量随时间演化 的数学表达式，一般用微分方程或者差分方程表示。它能反映系统的 动态特性，可以解决长时间滞后问题。 1 1 1 机理模型 人们最早研究的数学模型是应用于烧结过程分析，其中大部分模 型是基于烧结过程物理化学反应的机理模型。 至今最为详尽的模型是由澳大利亚m j c u m m i n g 等人开发的， 它包括1 3 种物理变化，1 1 种化学反应和2 6 个状态变量，在当时计算 机的计算水平上计算次所需时间在7 个小时以上，这种模型主要用 于离线的操作分析，在工业应用上还有限制1 4 1 。 a g 沃特斯等人在前人研究的基础上，通过分析原料粒度分布 与添加水量、原料物理特性等变量之间的关系，建立了一个新的制粒 模型”l 。此模型为一总体平衡模型( p o p u l a t i o nb a l a n c em o d e l ) ，基于 己被大多数人接受的制粒机理：细粒粘附在较粗的颗粒表面上。该模 3 中南工业火学硕士学位论文烧结过程透气性的多级模糊综合评判和操作指导系统的里堕 型可预测多组分烧结混合料粒度分布以及用于定量地比较不同混合矿 的制粒效果，该模型也可用来研究制粒作用对烧结混合料条件变化的 灵敏度。该模型较以前的制粒模型更为精确，代表了制粒模型的新动 向。然而由于该模型没有考虑操作变量这一因素对原料粒度分布的影 响，还是存在一些缺陷。因此操作变量对制粒过程的影响将有待于在 将来的制粒模型中进一步研究。 f 帕蒂桑等人建立的烧结水分迁移数学模型不同于一般的烧结过 程水分干燥及冷凝模型1 “。它不仅考虑了干物料的水分传输特性，而且 用“水分传输”这一概念将水分的干燥和水蒸汽的冷凝这两个概念统 一起来。模型包含两个机理：一是水分的再冷凝机理，二是过湿带的 形成机理。f 帕蒂桑等人在模型中也将铁矿球粒的干燥分为两个截然 不同的阶段：一是恒速干燥阶段：二是降速干燥阶段。 北京科技大学徐瑞图、周取定建立了一个床层模型，对烧结过程 床层结构参数变化进行了模拟研究【7 】。该模型包括描述烧结床层结构变 化的参数方程。此模型的使用有助于减少在烧结过程中运用e r g u n 方 程的误差。 中南工业大学邹志毅研究并建立了一个以湿料带传热、传质机理 为基础的烧结水分迁移全过程数学模型。在该模型的基础上对水分迁 移过程进行了计算机仿真，仿真结果令人满意。利用混合料特性、进 料层气体特性和操作条件等少量信息作为输入数据，模型就能计算出 料层中的温度场以及与水分迁移过程有关的所有变量的动态响应，可 为控制烧结料层温度、确定混合料适宜水分和减少过湿带的有害影响 提供预测和操作指导。 目前机理模型主要用于离线的操作分析，在工业应用上尚有限制。 这主要由于以下几个方面的原因： ( 1 ) 模型中些参数难以确定； ( 2 ) 模型的求解时间过长； ( 3 ) 烧结过程机理研究还不够成熟：对发生在熔融区及其相邻冷 却区中的物理化学过程的认识有局限；对烧结微观及宏观结构的起因 及影响的认识还不够。 1 - 1 2 数理统计模型 日本佐藤骏等人将加热特性曲线( 高温保持时间) 、粒度分布、化 学成分以及高温粒子孔隙率作为烧结过程影响熔融性的主要因素，建 4 中南工业大学硕士学位论文烧结过程透气性的多级模糊综合评判和操作翅墅统的研究 立了一个简单的熔融模型。由于烧结过程是在极短的时间内，温度急 剧变化的非平衡状态下进行的，而且由于烧结原料粒度分布较宽和化 学成分偏析所造成的局部不均匀性，因此要定量地分析烧结熔融过程 是不容易的，正由于这一原因，目前对烧结熔融过程的了解不是很深 入，有关这一过程的数学模型有待于进一步研究。 佐藤骏等人还建立了烧结矿矿物组分预测模型t ”】。只要将原料矿 石特性、配比及操作等条件作为输入数据，即可计算出烧结矿成品中 4 种主要矿物组成，即赤铁矿、磁铁矿、铁酸钙和渣相的组成比例。 众所周知，影响矿物生成和成分组成的因素，除原料矿石特性、原料 配比以及烧结操作条件以外，还有许多其他因素，要把这些因素均定 量化很困难。又由于该模型没有考虑a i ：0 。、s i o ：固溶于铁酸钙以及 铁熔于渣相等影响因素，因此，此模型的预测精度较差，有待于今后 进一步完善。 佐藤骏等人在分析了烧结矿强度的控制因素的基础上，建立了烧 结矿强度的预测模型i l ”。根据“多孔体强度理论、”，按烧结矿的孔隙率、 矿物组成和熔融率分别描述了烧结矿强度。 国分、春生等人建立了一个风速分布模型m 】。依据此模型，通过 测定沿烧结机长度方向上的四个点的风速值，可以在线推算烧结终点 和风速分布。该模型还可用于对烧结操作及烧结生产的动态特性进行 解析。 北京科技大学刘克文、周取定在佐藤骏等人研究工作的基础上， 通过对烧结过程影响烧结矿质量的状态变量进行分析，以及通过实验 室试验、岩相分析，确定了烧结矿粘结相最与铁酸钙含量和烧结过程 中状态变量一热波特征向量p h 之间的关系，从而建立了能描述烧结矿 强度( s 1 ) 和还原性( i u ) 的预报模型l ”1 。这在实现烧结矿质量在线 预报方面迈出了重要的步。 东北工学院的黎建明、杨兆祥建立了个能在计算机上快速求解 的烧结过程数学模型【1 4 i 。整个模型由风量分布及料层各带分布模型、 主要反应的速度模型和温度场模型三部分组成。只需将一些容易获得 的烧结信息如混合料特性、进出料层的气体特性和操作条件等作为输 入数据，就能计算出风量分布、料层中各带分布，揭示料层中的热状 态，确定烧结终点。该模型为烧结过程提供了进行计算机在线控制的 可能性。 东北大学的杨兆祥、杜继红提出了一种新的想法，就是利用烧结 s 中南工业大学硕士学位论文 烧结过程透气性的多级模糊综合评型塑堡堡塑量壅堑塑型塑 废气成分分析判断烧结过程5 ”】。烧结废气成分的变化是烧结过程中碳 的燃烧、铁氧化物的还原和氧化、熔剂的分解等反应不同程度发展的 结果。因此利用废气成分及其变化来判断烧结过程的进行是完全可能 的。1 9 8 4 年苏联考姆拉尔斯钢铁厂6 8 烧结机( k 6 7 5 1 8 4 ) 用气体自动 分析仪测倒数第2 个风箱的废气成分( c o ：和o ：) 以及倒数第1 个风 箱的废气温度( 窿) ，并得出烧结矿f e o 含量同它们之间的统计关系【1 “。 埃及专家m e h 沙拉比等人通过试验也表明烧结终点可用废中 c o ，c o 达到最大值的时间来确定m 1 。1 9 8 4 年第四次国际造块会议也 曾报道，意大利冶金公司西尼加利亚烧结厂1 6 8 m 2 烧结机在台车下风 箱采集废气样分析，用以预报烧结矿f e o 含量和确定烧结终点，预报 用的是统计模型f 1 ”。1 9 8 8 年川崎技报发表千叶厂用废气成分分析预报 烧结料含碳的波动i ”l 。杨兆祥、杜继红在实验室条件下系统研究了烧 结废气成分同碱度、配碳量、燃料品种和粒度、矿粉类型等因素的关 系，并进一步探讨了利用废气成分判断烧结矿f e o 含量、烧结终点、 料层透气性变化、碱度和配碳量的波动的可能性。 目前统计模型大部分己用于烧结生产的在线或离线控制。但由于 统计模型来源于对生产数据或实验数据的分析，存在着模型结构简单、 粗糙、适应性和可移植性差等缺点。 i 1 3 时间序列模型 这一类模型到目前为止国内外只有个别厂家进行了研究和应用。 英国的p p k a n j i l a l 和e r o s e 研究的自适应预报和控制模型， 通过焦粉配比和温度一速度系数预报烧结矿f e o 含量和强度指数，控 制焦比和台车速度 2 0 - 2 1 】。所开发的系统应用于英国钢铁公司r e d c a r 烧 结厂，取得了令人满意的效果。 在日本住友金属公司小仓厂开发的烧结矿化学成分预报控制系统 中，建立了时间序列模型来分析每个成分的时间响应特性 2 2 l 。 我国中南工业大学范晓慧博士在开发的“烧结生产过程控制专家 系统”中，采用系统辨识方法建立了多个s 1 s o 和m i s o 时间序列模型， 在此模型基础上建立烧结矿化学成分( r 、t f e 、s i o ，、c a o 、m g o 、f e o ) 超前预测模型1 2 3 1 。该模型现已应用于鞍钢三烧生产现场的离线操作分 析，取得了令人满意的效果。 由于烧结过程的复杂性，目前利用建立数学模型的方法实现烧结 生产自动化还存在许多困难。这是因为烧结过程控制系统中，机理较 6 中南工业大学硕士学位论文烧结过程透气性的多级模糊综合壁型塑塑堡塑曼墨笙塑型基 复杂，变量间关联严重，存在着非线性、时变时滞、分布参数特性复 杂以及种类繁多的扰动。加上输出测量的不精确性以及系统动力学的 不确定性，使传统的基于数学模型的定量方法应用受到了一定的限制。 而迅速发展的人工智能技术为烧结过程的自动化开辟了新的途径。借 助智能控制系统实现对烧结过程的控制，已是当今烧结自动控制技术 的发展方向。 1 2 烧结过程控制的研究现状与发展 烧结过程控制是检测技术、自动化技术、计算机技术与烧结工艺 褶结合的产物。它的应用主要有两个目的：一是操作的稳定化，以生 产化学成分稳定、粒度均匀和强度较好的烧结矿作为高炉的含铁炉料； 二是过程的最佳化，以最大限度降低生产成本、提高劳动生产率、降 低劳动强度。随着烧结设备的大型化和高炉对烧结矿质量要求的提高， 烧结过程计算机控制技术的作用和成效更为显著，烧结过程控制水平 已成为衡量烧结工艺水平的一个重要标志。 1 2 1 国内外烧结过程控制水平 i 2 1 1 国外烧结过程控制水平 国外6 0 年代初期就开始在烧结生产过程中应用电子计算机。应用 初期仅将计算机用于检测、报警、记录、打印等。后来逐步用于开环 和闭环控制。7 0 年代后期至今，着重解决企业的整体管理自动化问题， 实现管理信息系统自动化与生产过程自动化相结合的三级计算机控 制，建立集散型控制系统( t o t a ld i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，通常简称 d c s ) 。例如，日本川崎制铁的水岛厂和千叶厂，新目铁公司的室兰厂 和名古屋厂都建立起集中管理，分散控制的控制系统( 2 “。 d c s 是7 0 年代中期基于4 c ( 计算机、控制、通信和c r t 图像) 技术而发展起来的一种综合性计算机控制系统，它采用网络通信将分 布在现场的控制站、工程师站及管理站联接起来共同实现分散控制， 集中管理。烧结控制系统分级结构示于图1 1 【2 ”。 中央计算机具有整个炼铁系统的数据库，负责收集、贮存下位计 算机送来的情报，作出全厂的原料计划、生产计划、编制生产报表以 及对生产数据进行技术分析。 ， 生堕三些查堂堡主堂垡堡文 烧结过程透气性的多级模糊综合评判和操作指导系统的研究 图1 - 1 烧结控制系统分级结构示意图 烧结过程计算机的主要功能是收集、加工处理最下面系统或终端送来 的数据，并传送到上位中央管理机( 即中央计算机) ，而且分担下位控 制系统各调节回路按设定点控制的功能以及对最合适的生产过程作出 判断。 最下位的直接数字控制器( d d c ) 和可编程序控制器( p l c ) 是 由多个微机和将它们连接起来的数据通道所构成，担负着过程的检测、 定值控制以及设备的运转功能，包括调节回路的监视、超前控制、程 序信息控制、顺序跟踪和顺序控制等。直接数字控制器( d d c ) 的具 体控制功能各厂有所不同，j i i 崎的水岛厂有1 7 项，川崎的千叶厂3e 机 有2 0 项。 集散型控制系统的应用，使国外烧结过程控制达到三级水平。这 种控制系统即克服了模拟仪表功能的单一性和局限性，又避免了计算 机控制高度集中的危险性。它结构灵活，扩充方便有很高的可靠性， 是目前大型计算机控制系统的一个重要发展方向。 1 2 1 2 国内烧结过程控制水平 我国自8 0 年代以来，烧结技术进步的一大显著特点是烧结生产过 程广泛地采用了计算机控制系统。我国自动化控制烧结生产概况见表 1 1 1 2 4 1 。 8 中南工业大学硕士学位论文烧结过程透气性的多级模糊综合评判和操作指导系统的研究 由上表可见，计算机控制在我国烧结生产中的使用虽然有很大的 进展，但与世界先进国家相比，还有很大的差距。主要表现在：老厂 使用计算机还没有普及，即使是使用了的厂家，也只不过对单台设备 9 中南工业大学硕士学位论文烧结过程透气性的多级模糊综合评判和操作指导系统的研究 或单个环节实现了微机控制，而整个生产工艺还没有形成控制系统， 最先进的宝钢三期、武钢四烧和昆钢三烧也仅实现二级集散控制；计 算机在生产管理方面的运用还远远落后，生产过程控制功能软件的开 发还满足不了要求，这些都有待于进一步努力。 1 2 2 烧结过程检测和控制应用现状与发展 根据烧结工艺流程的特点，将烧结过程划分为原料准备系统、配 料系统、混合系统、烧结系统、冷却系统、成品管理系统、余热回收 及主排气系统、除尘和水处理系统等若干个子系统。 ( 1 ) 原料准备系统 烧结原料数量大，品种繁多，粒度及化学性质极不均一。原料特 性的波动是造成烧结生产不稳定的一个不可忽视的因素。利用先进的 方法和技术加强原料准备阶段的检测和自动控制可以在很大程度上减 小原料对烧结的影响。 在原料准备系统中，主要检测和控制的项目有各料槽料位的检测， 上下限料位报警并送电气连锁。 目前采用的料位检测仪主要有称重式料位仪、重锤式料位仪和较 先进的超声波料位仪。 ( 2 ) 配料系统 配料系统检测的项目有： 配料矿槽采用称重式料位仪和重锤式料位仪进行连续料位测 量，并用电容式料位开关作极限检测、报警、连锁； 燃料水分、混合料水分测量、显示、记录、上下限报警： 熔剂、燃料配料后混合料计量、累计显示、极限报警； 控制项目有： 各种原料配矿方案的选取； 在大多数烧结厂，配矿方案一般是靠专家经验参考先前配矿实例， 依据烧结矿的反馈情况来调整，有较大盲目性。我国宝钢近来开发的 一个基于神经网络的配矿专家系统应用表明口“，这一思路和技术非常 适用于配矿问题。 原料配料控制； 自动配料通常是定量圆盘给料控制装置结合电子皮带称进行原料 配料。将各种原料以一定的配合系数与综合给料量设定值相乘，再由 控制单元输出操作信号驱动切出装置，以实现定量给料的自动控制。 - 1 0 中甫工业大学硕士学位论文烧结过程透气性的多级模栅综合评判和操作指导系统的研究 日本钢管公司福山烧结厂在国际上率先使用模糊控制进行返矿矿 槽料位在线控制，使返矿矿槽料位偏差每小时从1 2 下降到4 ，返矿 量减少约2 k g t 烧结矿口 。日本神户烧结厂也开发了应用模糊推理的返 矿比控制系统，它采用了模糊推理方法评价和控制返矿槽料位，减少 返矿比的波动 3 1 。当返矿槽料位超过上限或低于下限时，该系统可发出 指令恢复正常料位。当需要调整料位时则通过计算“返矿成品率”指 数求出返矿比控制量。该厂自1 9 9 0 年使用该系统后，效果良好，不仅 减少了返矿波动，而且使成品率提高了1 左右。 ( 3 ) 混合系统 一、二次混合机加水量检测、控制，加水水压低压报警，送电气 连锁。 水分的检测和控制是烧结操作中的一个难点，严格控制混合料水 分的标准值和误差范围，可以提高混合料透气性和抑制过湿带过宽。 常用的检测方法有：热干燥法、中子测定法、快速失重法、红外线测 定法和电导法。其中热干燥法和快速失重法是间歇式测定方法，要想 实现水分的快速在线连续测定，则需采用中予法、红外线法和电导法。 现场采用较多的是中子水分仪和红外线水分仪。日本有些厂对所有原 料的水分都采用红外线分析，这样在圆筒造球机入口处就可以补偿水 分的变化。红外线水分测定仪的精度高( o 2 ) ，测量时间短( 只需 3 0 s ) ，测水范围为4 8 ，与被测物距离为1 0 0 3 0 0 。而中子水分测 定仪精度差( 仅为0s ) ，测量时间长( 约需1 8 0 s ) ，所以大多数厂 家尤其是日本厂家都采用红外线测量。住友金属公司和歌山烧结厂在 改进44 烧结机时，同时在1 次和2 次圆筒混合机的排料处安装了3 台 红外线水分测定仪，明显提高了水分的稳定性。住友室兰烧结厂用红 外线自动测量混合料水分，也使水分波动幅度降低口”。 混合料添加水量一般采用流量计测量，电控气动薄膜调节阀调节。 我国本溪钢铁公司二铁厂采用的烧结混合料检测及智能控制系统，将 前馈模糊控制和反馈专家控制相结合，控制目标达到混合料水分含量 在05 标准偏差范围内f 2 “。 ( 4 ) 烧结系统的控制 烧结系统包括铺底料布料、混合料布料、点火和烧结环节。需要 检测和控制的项目有： 铺底料槽料位的自动测量与控制 通常采用称重式模拟支点方式料位计或超声波料位计自动测量料 中南工业大学硕士学位论文烧结过程透气性的多级模糊综合评判和操作指导系统的研究 槽料位，进行显示报警。根据给料皮带机速度、烧结机速度以及料位 的反馈信号进行综合运算处理，由调节单元输出信号控制马达转速， 调节皮带机速度改变给料量，以实现料位自动控制。 日本的川崎制铁在于叶厂4 6 烧结机上还安装了铺底料平整装置， 因而减少了台车上烧结矿断面废气温度的偏差，使烧结矿更均匀l 3 0 】。 混合料槽料位检测、显示、报警和控制。 混合料的料位采用称重式全支点方式料位仪或者超声波料位仪等 进行自动测量、显示、报警，将信号送计算机，并送电气连锁控制。 根据料槽的入料量、排料量以及料位计测量信号等因素对料位进行连 续自动控制。 烧结机料层厚度的控制 较先进的方式是现用于日本新日铁和我国宝钢、武钢新四烧的料 层厚度控制系统。它由主闸门开度，辅助闸门开启度和圆辊给料机速 度控制三部分组成。在主闸门倒面沿宽度方向设置六个辅助闸门，响 应由六套独立的自控系统组成，每个系统根据层厚信号进行恒值反馈 控制，以保持台车横向层厚的均匀性。根据六个层厚信号的平均值， 对圆辊速度进行反馈控制，以调节台车纵向给料量，满足纵向层厚要 求。根据圆辊给料机速度的变化，运算处理输出操作信号，自动控制 主闸门开度，与圆辊协调运行，调节下料量。 日本川崎制铁千叶厂的层厚控制与之类似，但检测手段更先进， 它根据沿台车横向设置的超声波料位仪测定的平均值进行控制口。 此外还有用于层厚控制的油压源装置的液位、油温、油压的自动 检湖0 和控带0 。 烧结机速度的控制 目前，烧结机速度的控制多数都是在操作站进行远距离手动设置， 或者根据烧结终点进行联动控制，同时按照一定的速比，对冷却机、 链板给矿机速度进行联动控制。 点火炉燃烧的控制 点火炉燃烧控制一般包括炉内压力、温度检测、点火强度和点火 温度控制。点火炉内压力和点火风箱压力自动测量、显示、报警，信 号送控制计算机。根据压力信号调节点火风箱支管阀门的开度，改变 抽风压力，实现炉内压力自动控制。炉内温度进行自动测量、显示和 报警，并将信号送计算机。供给点火炉燃烧用煤气和空气流量的自动 测量、显示、报警和控制，将信号送计算机。根据台车上料层单位面 - 1 2 中南工业大学硕士学位论文烧结过程透气性的多级模糊综合评判和操作指导系统的研究 积燃烧所需热量，进行点火强度控制。根据炉内温度进行串级温度控 制。煤气总管压力的自动测量、显示、报警和自动控制，并进行低压 自动切断。 对于有保温炉的厂家，主要的控制是保温炉温度、供保温炉燃烧 用余热空气流量、辅助烧咀风压的自动测量、显示、报警并将信号送 控制计算机。 烧结终点控制 烧结终点控制通常在倒数第2 个风箱上，传统控制方法是靠调整 机速来达到。终点本身监测比较困难，因此，它一般都是靠废气温度 的测量定值来判断，通常废气温度采用最后3 个、4 个或5 个风箱的 热电偶来监测，并使烧结废气温度的最高点控制在倒数第2 个风箱的 位置。 也有些厂家使用其它方法判断烧结终点的。如前述意大利冶金公 司西尼加利亚烧结厂1 6 8 m 2 烧结机在台车下风箱采集气样分析，使用 统计模型确定烧结终点。意大利钢铁公司热那亚厂也使用质谱仪分析 废气成分来判断烧结终点| l “。 日本钢管公司京滨钢铁厂扇岛1 号烧结厂在其研究与应用的“烧 结利层温度状况控制系统”中使用废气温度上升点( b r p 值) 判断烧 1 终点i ”l 。 烧结矿f e o 含量控制 目前部分厂采用磁导率装置。例如1 9 6 0 年比利时国立冶金研究中 一心就己研制出磁性计，多数厂家的在线f e o 测定，都是使用的这种技 术，如英国钢铁公司斯肯索普厂、日本钢管公司的福山厂等口。 也有的厂家使用废气成分分析来测定烧结矿f e o 。如苏联考姆拉 尔斯钢铁厂6 4 烧结机使用气体自动分析仪测倒数第2 个风箱的废气成 分( c o ，和o ：) 以及倒数第1 个风箱的废气温度( t 窿) 得出烧结矿f e o 含量与它们之间的统计关系6 l 。意大利冶金公司西尼加利亚厂1 6 8 m 2 烧结机在台车下风箱采集废气样分析，用以预报烧结矿的f e o 含量。 意大利钢铁公司热那亚厂使用质谱仪分析废气成分测定烧结矿f e o 含 量。 烧结过程状态控制 为了消除台车的横向温度差，法国钢铁研究院提出在每个风箱上 采取多层温度测量，以当时的平均温度来表示，该装置结合该院提出 的模型己应用于索拉克福斯厂。 1 3 中南工业大学硕士学位论文烧结过程透气性的多级模糊综合评判和操作指导系统的研究 日本钢管公司在扇岛烧结厂安装了热工制度控制系统，以后在福 山厂又加以改进并在机尾安装了密度计和电视摄像机，通过图像分析 器就可测定出烧结机尾烧结矿断面中高温区的分布状况【3 “。该数据和 台车下面的热电偶读数以及混合料密度测定值都达到最佳值就能确保 台车上烧结矿的断面均匀。日本钢管公司使用该系统后，各烧结厂的 成品率明显提高。 川崎制铁水岛烧结厂安装了料层风量分布仪，用于在线预澳4 料层 风量分布f 3 0 】。该装置是把测定圆筒放在烧结料层表面，用热线式风速 仪测定通过圆筒的风量。整个装置与台车固定在一起，并一直运行到 机尾，通过连续测定各点的风量再求出风量分布。在台车上安装特制 的篦条，用在该篦条上的铠装热电偶测定料层内的温度。由于特制的 篦条与台车起移动，在台车侧面设置了无线电装置，由调频方式把 热电偶传出的温度信号送出来。测定数据与风量分布同时经由中央计 算机进行处理，并绘制出料层加热曲线图。 新日铁近年来开发出具有强穿透率和高分辨率的计算机层析扫描 ( c t 扫描) 仪，其x 射线管的功率为4 0 0 w ，这种大功率的x 射线近 似于、7 射线m 】。它可以用来分析烧结饼结构及构成烧结矿成品的基体， 可再现烧结饼内部结构的二维或三维图象，并能定量地划分未烧物料 部分的比例及复杂形态的气孔结构。 千叶烧结厂第3 、4 烧结车间开发了一种能迅速而准确地检测及控 制烧结过程中热量收入的新系统一烧结能耗控制系统( s e c o s ) ，进 步将o g s 系统完善成为o g s s e c o s 综合系统| 3 “。该系统能根据烧结 料层中固体燃料燃烧量( 由烧结废气成分分析求出碳平衡，再由碳平 衡推算燃烧量) 和卸矿端烧结饼断面的炽热区面积的变化量( 由固态 摄像元件制成的摄象仪测出) ，综合这两个指标来测定收入的热量，并 按与设定值的偏差自动调整焦粉配加量。 在这方面我国的应用成果较少。中南工业大学的范晓慧博士开发 的“烧结过程控制专家指导系统”是目前为止我国较全面的整体控制 系统，该系统主要包括基于自适应预报的烧结矿化学成分专家指导以 烧结过程想状态和透气性状态为中心的烧结过程状态控制m 】。该系统 目前已成功应用于鞍钢新三烧生产的离线控制。 ( 5 ) 冷却控制 主要包括冷却机的烟气温度、排矿温度的测量、显示和报警，根 据排矿温度信号自动控制冷却机台车的运行速度，或者改变风量，以 一1 4 一 中南工业大学硕士学位论文烧结过程透气性的多级模糊综台评判和操作指导系统的研究 调节排矿温度。采用称重式模拟支点料位仪对排矿槽料位进行自动测 量、显示和报警，根据料位检测信号自动控制链板给矿机速度，以保 持排矿槽料位在允许范围内变化。 ( 6 ) 成品管理系统 主要是进行铺底料、返矿、成品输出、成品分料量的自动计量、 显示、积算、报警，将信号送往计算机，并送电气进行料量的分配控 制。 ( 7 ) 余热回收及主排气系统的检测和控制 这包括热风除尘器进口、出口温度的测量、显示及出口温度报警， 根据热风除尘器出口的风温检测信号自动调节冷风阀门的开度，以控 制风温。根据点火炉、保温炉所需热风流量信号控制余热回收风机转 速、风机入口阀门开度，相应调节热风流量。余热回收风机出口温度、 压力的测量、显示和报警，主抽风机入口处的主排气温度、压力、流 量的自动测量、显示和报警以及将信号送往计算机，主要依靠调整风 机转速、风机阀门开度调整。 ( 8 ) 除尘与水处理系统 包括机头、机尾、配料、成品的电除尘器入口气体压力、温度、 流量、出口气体含尘浓度、粉尘槽料位的自动测量、显示和报警；粉 焦布袋除尘入口气体压力、流量、出口气体压力的检测、显示、报警 和信号传输、粉尘槽料位控制。还有些厂在烟囱上设置检测点，对排 放烟气中n o x 、s o 。、o ，含量进行自动测量、显示、报警，将信号送 计算机。 水处理系统主要包括工业用水压力、电导率、流量的测量、显示 和信号传输；循环水冷却池液位、冷却水电导率、冷却水温度的自动 测量、显示、报警，根据冷却水温度调节冷却机转速，以控制冷却水 温度。 综上所述，烧结过程的检测和自动控制是非常复杂的。从检测的 角度看，烧结过程是一个高温、高湿、高粉尘的系统，对检测元件要 求耐高温、耐高湿、耐腐蚀、抗干扰，由于目前普遍存在元件质量不 过关、使用寿命短，抗干扰性差，导致有些过程参数测量不准确，甚 至许多重要过程参数无法检测，影响了过程检测的质量，制约了过程 自动控制。所以使用颓型材料开发自动化程度高、耐高温、耐腐蚀、 抗干扰性好、灵敏度高的先进检测仪器仪表是其主要发展方向。 从过程控制的角度看，烧结过程是一个影响因素众多、具有大滞 1 5 中南上业大学硕士学位论文烧结过程透气性的多级模糊综台评判和操作指导系统的研究 后性和时变性的动态复杂系统。由于烧结过程的机理十分复杂，难以 建立精确的数学模型，因此依靠传统的控制方法难以达到高质量的控 制。必须开辟新的途径和方法。把人工智能技术引入烧结领域，开发 以基于专家系统和神经网络为基础的烧结过程控制系统和以模糊理论 为基础的模糊控制系统，将是烧结过程控制的主要发展方向。 。1 6 中南工业大学硕士学位论文 烧结过程透气性的多级模糊综合塑趔塑塑堡塑呈墨竺塑! 堕 2 1引言 2 系统总体分析 透气性是指固体料层允许气体通过的难易程度。气体在烧结料层 内的波动状态及变化规律，关系到烧结过程的传质、传热和物理化学 反应的过程。所以，烧结料层的透气性决定着烧结过程的顺利进行， 影响着烧结过程的产、质量。 2 2 系统总体方案 2 2 1 总体判断方案 通常所说的烧结料层透气性，实际上包括原始料层透气性和烧结 过程透气性。 到目前为止对于原始料层的透气性研究得比较多。如日本佐藤骏 等人开发了一个透气性模型m 】。该模型在继承了经典的v o i c e 公式和 e r g u n 方程优点的基础上对原料特性、混合料特性、操作条件等作了全 面的数学分析，建立的制粒透气性模型的预测值同实测值有较好的一 致性。 在意大利钢铁公司，点火前透气性采用在线连续监测，监测系统 直接安装在点火器前的4 4 m 风箱上，透气性采用在恒定负压下通过 料层的空气流量来进行测定，料层透气性可根据最佳计算值调整操作 参数( 通常用水分添加量) 来保持1 ”i 。 日本新日铁公司用于测定烧结料层透气性的测定计有两种形式： 一种用于间歇性测定，一种用于连续性测定。间歇式测定计装在矿槽 旁，与皮带机向矿槽运送混合料时，形成充填层，在一定抽风量的条 件卜测量压力损失，这样便可测出混合料的透气性指数。连续性测定 计安装在2 号风箱上，用风箱排气流量计代替，可以连续测定透气性 指数，为操作提供数据口5 i 。 1 7 中南工业大学硕士学位论文 烧结过程透气性的多级摸期综合评判和操作指导系统的研究 美国伯得恒钢铁公司个恩斯港烧结厂有一台1 8 7 m ：的烧结机，为 j 提高烧结产量，研制出了透气性测量仪】。料层透气性测量仪安装 在凼辊布料器矿槽内。测量仪的工作原理是往混合料中喷入一定量的 空气，然后测定空气的反压力，通过反压力确定透气性的大小，操作 者就知道了是否需要调节水分以提高料层的透气性。用计算机监视料 层透气性，根据透气性指数调节混合料水分。 日本住友金属公司鹿岛厂开发的铁矿石综合模拟模型中，利用原 料的粒度组成、制粒水分和料层中的视密度等数据来预测烧结前的料 层透气性l ”1 。 奥地利g u n t h e rs t r a k a 在开发的烧结机机速过程控制模型中提到， 混合利透气性可用点火罩内的废气流量、料层厚度和压差的测量结果 来计算，也可根据进入判层内空气流量的测定值来确定1 ”1 。 从上述情况看，目前国内外对点火前透气性判断和控制的研究已 经比较多。 但是，点火前料层透气性仅仅是烧结过程透气性的影响因素之一， 单纯对点火前料层透气性的判断与控制不能完全改善过程透气性。而 目前在过程透气性方面的研究还不多。日本川崎制铁从8 0 年代初开始 致力于烧结操作指导系统( o g s ) 的研究与开发”。他们认为，在烧 结生产中，要获得高的生产率和高的质量，必须控制烧结料层的透气 性及热值水平。o g s 根据输入的烧结料层透气性阻力、烧结终点、废 气负压、废气温度、废气流量、风箱处最高温度和冷却机排风温度等 参数，综合评定透气性。 我国中南工业大学范晓慧博士在其开发的“烧结生产过程控制专 家系统”中针对我国烧结生产的实际情况和生产试验，建立了通过 垂直烧结速度、烧结终点预报值和主管负压来综合判断透气性的专家 系统，实现了对烧结料层透气性的准确判断，改善了料层透气性i 。 我们可以注意到，上述烧结过程透气性判断方法使用的判断因子 全部是状态参数。 从过程控制的角度，烧结过程可以看作是这样一个系统：一定的 原料参料和操作参数作用于设备参数，则有一定的状态参数和指标参 一1 8 ! ：堕兰些查兰堡主兰生笙塞塞堕塾壁塑丝塑墨堡丝燮堡垒堡型塑塑生塑曼墨竺塑堕墨 数与之相对应。其模型如图2 1 所示州。而烧结过程控制的目的就是 通过调整原料参数、操作参数和设备参数，使状态参数和指标参数达 到最优。 ：l i i ! ：i 困一 - 一_ 。f 中斗 ：i ；l ：i l ：园 一一 由图2 1 可见，原料参数和操作参数是影响原始料层透气性和过 程透气性的主要因索，可预测透气性的变化趋势：状态参数则直观的 反映了当前过程透气性的状况。因此，通过原料参数、操作参数和状 态参数综合评判烧结过程透气性的状况，就能够判断烧结过程透气性 的总体状态和变化趋势，并找出影响过程透气性的主要原因，进而实 现烧结过程透气性的优化控制。 综上所述，烧结过程透气性的判断方案是：基于原料参数、操作 参数和状态参数的进行综合判断。 2 2 2 研究方法 烧结原料经过布料点火后，由下部风箱强制抽风，通过料层的空 气和烧结料中的焦炭燃烧所产生的热量，使烧结混合料经受各种物理 化学变化，才形成烧结矿。整个烧结经过了燃料的燃烧反应，烧结料 层中的热交换，水分的蒸发和冷凝，化学水的分解，碳酸盐的分解， 氧化物的分解、还原和再氧化，烧结过程的固相反应，烧结过程的